Свинцовые снегопады и алмазные дожди

Необычные осадки — когда с неба падает не только вода. Рассказываем про самые загадочные типы осадков. Для этого придётся выбраться за пределы земной атмосферы и прокатиться автостопом по галактике.

Чтобы не пропустить новые статьи в нашем блоге, подписывайтесь на телеграм-канал Яндекс Погоды.

Подписаться здесь

Тяжёлый металл на Венере: не рок-концерт, а свинцовые осадки

Когда космический аппарат «Магеллан» в 1990-е годы с помощью радара исследовал Венеру, учёные заметили странный эффект: вершины гор отражали сигнал гораздо ярче, чем равнины. Сначала это объясняли по-разному — говорили о богатых железом породах, о следах эрозии или даже о налёте пирита. Предлагались и другие версии: теллур, гематит. Но более точные модели с учётом химических реакций в атмосфере показали, что не всё подходит: например, при большом количестве сернистых соединений теллур быстро превращается в газ и не может выпадать в виде осадков.

Дальнейшие термодинамические расчёты сузили круг кандидатов. Всё больше исследователей склоняются к мысли, что загадочный «снег» состоит из сульфидов свинца и висмута. При средней температуре поверхности около +460 °C и давлении, в 90 раз превышающем земное, такие соединения могут существовать в газовой фазе. Поднимаясь вверх вместе с потоками атмосферы, они попадают в более холодные слои: на высоте около 2,5–3 километров температура ниже на десятки градусов. Здесь вещества снова кристаллизуются и оседают на склонах гор в виде тонкого блестящего налёта, напоминающего иней. По сути, на Венере действует аналог земного цикла воды в атмосфере, только вместо привычного нам соединения H2O в круговороте участвуют тяжёлые металлы.

Такой «снег» объясняет и яркие отражения радарного сигнала, ведь сульфиды свинца и висмута обладают высокой электропроводностью. Источником этих соединений могла быть вулканическая активность — в таком случае снежный покров может рассказать о недавней геологической истории планеты. Впрочем, нельзя исключать, что разные вещества тоже вносят свой вклад, так что «снег» Венеры остаётся сложной и не до конца разгаданной смесью.

Многое прояснится в ближайшие годы: миссии NASA DAVINCI+ и VERITAS, старт которых намечен на 2028–2030 гг., должны подробно исследовать атмосферу и поверхность Венеры и могут наконец подтвердить или опровергнуть «снежные» гипотезы астрофизиков.

Алмазный дождь, аллилуйя!

Именно так спели бы дуэт The Weather Girls или Джери Холливелл, если бы знали о том, что на некоторых планетах Солнечной системы действительно идут осадки из алмазов.

Идея выпадения алмазных дождей на газовых гигантах Солнечной системы появилась ещё в 1980-е, но долго оставалась гипотезой. Сегодня её подтверждают и расчёты, и эксперименты.

На Юпитере и Сатурне процесс начинается с грозовых разрядов в верхней атмосфере: молнии превращают метан в сажу, которая падает вниз и под давлением постепенно превращается в графит, а затем в алмаз.

По оценкам исследователей, на Сатурне ежегодно может образовываться тысячи тонн кристаллов, крупные из которых достигают сантиметра в диаметре. Правда, на больших глубинах, где температура поднимается до тысяч градусов, твёрдый углерод (алмаз по сути) уже не выдерживает и, вероятно, плавится и превращается в подобие углеродного моря.

На Уране и Нептуне, более холодных во внутренних слоях атмосферы, алмазы должны вести себя иначе. Здесь условия давления и температуры стабильны, поэтому кристаллы не только образуются, но и в теории могут расти до очень больших размеров — даже метровых блоков.

По мере того как они опускаются глубже, алмазы поглощают новые слои углерода, формируя целые скопления. Такие процессы способны объяснять необычные магнитные поля ледяных гигантов: оседающие алмазы и связанные с ними потоки ионов создают проводящие слои вещества. Их движение работает по тому же принципу, что и динамо-машина на Земле: движение проводящей жидкости рождает электрические токи, а вместе с ними и магнитное поле планеты. Кроме того, выделяемая при падении энергия может подпитывать внутренний нагрев и штормовую активность.

Проверить всё это напрямую пока невозможно — ни один зонд не достиг таких глубин атмосферы газовых гигантов. Но лабораторные эксперименты позволяют воспроизводить экстремальные условия. Учёные используют лазеры и ударные волны, чтобы сжать материалы, похожие по составу на планетные льды, — например, пластик. В этих установках наблюдали, как углерод при миллионах атмосфер и тысячах градусов превращается в нанодиа­манты.

Недавние опыты показали, что присутствие кислорода облегчает этот процесс, а значит, «алмазный дождь» может быть ещё более распространённым, чем считалось ранее. Теперь предполагается, что драгоценные для землян осадки возможны не только на Уране, Нептуне, Сатурне и Юпитере, но и на сотнях экзопланет в нашей галактике.

Титановый снег

Если переместиться немного дальше Солнечной системы, то мы познакомимся с планетой, которую называют «горячим Юпитером».

Kepler-13Ab — один из самых экзотических миров, открытых астрономами. Эта газовая планета находится в 1730 световых годах от нас и по массе перевешивает Землю почти в 3 тысячи раз. Уникальность Kepler-13Ab в том, что к своей звезде планета всегда обращена одной стороной. Поэтому пока на дневной стороне температура достигает 2760 °C, ночная погружена во тьму и холод. Именно там, на ночной стороне, идёт необычный «снегопад» из оксида титана и ванадия. Металлический газ существует на дневной стороне в виде пара и мощными ветрами переносится на холодную сторону планеты, где и кристаллизуется в блестящие снежинки.

Эти осадки образуют своеобразную «холодную ловушку». На большинстве горячих «юпитеров» газообразный оксид титана вновь испаряется и возвращается в циркуляцию, но у Kepler-13Ab всё иначе: сила притяжения здесь примерно в шесть раз выше, чем у Юпитера, и потому снежинки опускаются в нижние слои атмосферы и остаются там. В результате верхние слои теряют главный источник поглощения света и тепла: вместо того, чтобы нагреваться, как у других газовых гигантов, атмосфера Kepler-13Ab на высоте становится холоднее.

Открытие этого явления удалось сделать в 2017 году с помощью телескопа «Хаббл» и метода спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне. Так, впервые было зафиксировано, как «солнцезащитное вещество» (оксид титана, знакомый нам по кремам от ультрафиолета) может выпадать снегом на другой планете.